Forskere avdekker mekanismen for regulering av DELLA-proteinet i planter.

Forskere fra Institutt for biokjemi ved Indian Institute of Sciences (IISc) har oppdaget en lenge ettersøkt mekanisme som brukes av primitive landplanter som bryofytter (inkludert moser og levermoser) for åregulere plantevekst– en mekanisme som også har blitt bevart i nyere utviklede blomstrende planter.

Studien, publisert i tidsskriftet Nature Chemical Biology, fokuserer på den ikke-klassiske reguleringen av DELLA-proteinet, en hovedvekstregulator som kan hemme celledeling i embryonale planter (landplanter).
«DELLA fungerer som en fartsdump, men hvis denne fartsdumpen er konstant til stede, kan ikke planten bevege seg», forklarer Debabrata Laha, førsteamanuensis i biokjemi og medforfatter av studien. Derfor er nedbrytningen av DELLA-proteiner avgjørende for å fremme plantevekst. I blomstrende planter brytes DELLA ned når fytohormonetgibberellin (GA)binder seg til reseptoren GID1 og danner GA-GID1-DELLA-komplekset. Deretter binder DELLA-repressorproteinet seg til ubiquitinkjeder og brytes ned av 26S-proteasomet.
Interessant nok var mosser blant de første plantene som koloniserte land, for omtrent 500 millioner år siden. Selv om de produserer fytohormonet gibberellin (GA), mangler de GID1-reseptoren. Dette reiser spørsmålet: hvordan ble veksten og utviklingen til disse tidlige landplantene regulert?
Forskerne brukte CRISPR-Cas9-systemet til å slå ut det tilsvarende VIH-genet, og bekreftet dermed VIHs rolle. Planter som mangler et funksjonelt VIH-enzym viser alvorlige vekst- og utviklingsdefekter og morfologiske abnormiteter, som tett thallus, svekket radialvekst og mangel på beger. Disse defektene ble korrigert ved å modifisere plantegenomet til å produsere bare én ende (N-terminalen) av VIH-enzymet. Ved hjelp av avanserte kromatografiteknikker oppdaget forskerteamet at N-terminalen inneholder et kinasedomene som katalyserer produksjonen av InsP₈.
Forskerne oppdaget at DELLA er et av de cellulære målene for VIH-kinase. Videre observerte de at fenotypen til MpVIH-mangelfulle planter var lik den hos Miscanthus multiforme-planter med økt DELLA-ekspresjon.
«På dette stadiet er vi ivrige etter å avgjøre om DELLA-stabilitet eller -aktivitet er forbedret i planter med MpVIH-mangel», sa Priyanshi Rana, doktorgradsstudent i Laheys forskningsgruppe og førsteforfatter av artikkelen. I samsvar med hypotesen deres fant forskerne at DELLA-hemming signifikant gjenopprettet vekst- og utviklingsdefektene i MpVIH-mutantplanter. Disse funnene tyder på at VIH-kinase negativt regulerer DELLA, og dermed fremmer plantevekst og -utvikling.
Forskerne kombinerte genetiske, biokjemiske og biofysiske metoder for å belyse mekanismen som inositolpyrofosfat bruker for å regulere DELLA-proteinuttrykk i denne bryofytten. Mer spesifikt binder InsP₈, produsert av MpVIH, seg til MpDELLA-proteinet, noe som fremmer polyubikvitinering, som igjen fører til nedbrytning av dette repressorproteinet av proteasomet.
Forskning på DELLA-proteinet går tilbake til den grønne revolusjonen, da forskere ubevisst utnyttet potensialet til å skape høyavkastende semi-dvergvarianter. Selv om virkningsmekanismen var ukjent på den tiden, har moderne teknologier gjort det mulig for forskere å bruke genredigering for å manipulere funksjonen til dette proteinet, og dermed effektivt øke avlingene.
«Med befolkningsvekst og krympende dyrkbar jord har økte avlinger blitt kritisk», sa Raha. Gitt at InsP₈-regulert DELLA-nedbrytning kan være utbredt i embryonale planter, kan denne oppdagelsen bane vei for utviklingen av neste generasjons høytytende avlinger.